CN112662921B

CN112662921B - 一种高强韧压铸铝硅合金及其制备方法

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Publication number: CN112662921B
Application number: CN202011407111.6A
Authority: CN
Inventors: 孙自来
Original assignee: Chengdu Huiteng Chuangzhi Information Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Huiteng Chuangzhi Information Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-12-04
Also published as: CN112662921A

Abstract

本发明公开了一种高强韧压铸铝硅合金及其制备方法。所述高强韧压铸铝硅合金，按质量百分比计，包括如下成分：Si：8.5~11.5%；Cu：1.0~3.0%；Zn：0.5~1.5%；Mg：0.2~0.6%；B：0.01~0.1%；La：0.1~0.22%；Sr：0.02~0.08%；Mn：0.4~0.7%；Fe：不大于0.2%；余量为Al和不可避免的杂质。本发明具有较高的强韧性，能够在汽车上得到更广泛地应用，尤其是应用到对强度和韧性都有很高要求的底盘和车身结构件上。

Description

一种高强韧压铸铝硅合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种高强韧压铸铝硅合金及其制备方法。

背景技术

随着汽车电动化的发展，对汽车材料的轻量化要求越来越高。相比于传统汽车材料(如钢，铸铁等)，铝合金具有比强度高，比刚度高，减震性好，耐腐蚀性优良及回收利用性良好等特点而得到广泛的关注。其中，近共晶成分的铝硅合金其结晶温度区间小，流动性好，收缩率小等特点而适合于高压压铸。目前铝合金压铸件正朝着大型、薄壁、复杂、高精度、高强韧方向发展。

虽然压铸铝合金已大量用于汽车零部件，但大多数牌号的压铸铝合金力学性能及韧性都较差，需要通过后续热处理来提升综合力学性能。比如，压铸领域使用量最大的ADC12压铸铝合金，室温伸长率通常不高于2％，且强度不高，无法用于受力较大的结构件。又如德国莱茵铝业公司开发的Silafont-36(专利公开号：US6364970B1)，其铸态下的强韧性不足，需要通过后续热处理方式来满足强韧性要求，使得整个工艺流程变长，成本增加，并且由于热处理的变形难以避免以及热处理鼓泡等问题而使得成品率大大降低，使其无法顺利用到大型复杂薄壁零件上。

因此，要使铝合金压铸件在汽车上得到更广泛地应用，尤其是要应用到对强度和韧性都有很高要求的底盘和车身结构件上，必须提高铝合金铸态下的韧性和强度。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有的压铸铝硅合金力学性能、韧性差，需要后续热处理等问题，提供一种高强韧压铸铝硅合金及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高强韧压铸铝硅合金，按质量百分比计，包括如下成分：Si：8.5～11.5％；Cu：1.0～3.0％；Zn：0.5～1.5％；Mg：0.2～0.6％；B：0.01～0.1％；La：0.1～0.22％；Sr：0.02～0.08％；Mn：0.4～0.7％；Fe：不大于0.2％；余量为Al和不可避免的杂质。

进一步，还包括Ti：0.1～0.28％。

进一步，按质量百分比计，包括如下成分：Si：8.5～11.5％；Cu：1.0～1.5％；Zn：0.5～1.2％；Mg：0.2～0.4％；B：0.03～0.1％；La：0.1～0.2％；Ti：0.15～0.25％；Sr：0.02～0.06％；Mn：0.4～0.0.6％；Fe：不大于0.2％；余量为Al和不可避免的杂质。

其中，Cu与Zn的质量比为2.0～2.2：1。所述La与B的质量比为2～3.5：1。

铝硅合金的力学性能主要是由其微观组织决定的，尤其是初生α-Al和共晶硅的形貌与大小。初生α-Al晶粒的大小和固溶情况主要影响铝硅合金的强度，共晶硅和杂质相(如富铁相等)的形貌主要影响铝硅合金的韧性，同时硅的含量不同会影响合金的固液相区间宽度进而影响熔体的流动性。当控制硅含量在8.5-11.5％时，可以使铝硅合金具有较窄的凝固区间，可显著提高熔体的流动性，保证铝硅合金具有良好的铸造成形性能和低的热裂倾向。

通过对铝硅合金中共晶硅改性、固溶强化机理和固溶度理论等的研究中发现，在铝硅合金中加入锌可以作为固溶强化元素提高基体的强度，同时锌的加入可提高铜在铝基体中的溶解速度和溶解度。在铝硅合金中同时加入一定含量的锌和铜时，可以显著增强合金的固溶效果和基体强度。其微观机理是利用锌与空位之间较高的结合能，使大量空位被锌原子所俘获从而使含锌合金中铜等溶质原子赖以扩散的空位急剧减少。并且，锌和铜的加入并不会明显影响材料的防腐蚀性能，锌含量在不超过3％时对防腐性能没有明显影响，而铜主要以CuAl₂形式存在，因为CuAl₂与被铜饱和的铝基体的电位仅相差百分之几伏，因此加入铜并不会加速合金的腐蚀。另外，锌的加入还有利于硅相的粒状化，减弱了硅相对基体的割裂作用，从而提升材料断裂延伸率。优选Cu与Zn的质量比为2.0～2.2：1。

添加Mg主要为了提升铝硅合金的强度，铝合金中Si含量超过Mg含量的1.73倍时，主要形成Mg₂Si强化相，当有Zn存在并在快速凝固时还可能形成少量MgZn₂强化相，这些强化相的存在提高了合金强度，并使合金有良好的自然时效效应，可进一步加强铸态下铝硅合金的强度，但Mg含量应该严格控制，其含量过低无法起到强化效果，过高则会降低铝硅合金的塑性，因此将其含量控制在0.2～0.6％，优选为0.3～0.5％。

钛和硼以Al-5Ti-B或者Al-3Ti-B的形式添加，不添加钛或需调整钛与硼比例时可采用Al-3B合金添加。硼的含量为0.01～0.1％，并可进一步优化为0.03～0.1％。钛和硼能够与铝发生反应，生成的Al₃Ti和TiB₂可作为异质形核核心，因此能够提高形核效率，起到细化α-Al晶粒，提升铝硅合金的强度的作用。Al-5Ti-B是工业领域普遍使用的常用细化剂，一次可以同时添加Ti和B两种元素，使得制备过程中添加Ti和B方便，步骤简单。

锶元素在铝硅合金中主要起细化共晶硅的作用，使共晶硅由片状变为细小的纤维状，硅作为小平面相。由于生长的各向异性，在未变质的铝硅合金共晶反应过程中，共晶硅长成片状，惯习面为{111}面，铝硅合金中添加锶元素以后，在结晶过程中，锶吸附在硅的生长台阶上，改变了硅原子的堆积次序，从而在硅晶体中造成大量孪晶，这些孪晶使共晶硅{111}晶面厚度方向的生长速度与其侧向的生长速度的差值大大降低，导致共晶硅以各向同性的方式生长，并长成细小纤维状。锶的含量应该严格控制，锶含量过低变质效果不明显，过多则会在铝液引入氢气，造成铝硅合金孔洞的增加进而降低其韧性。

在含锶和硼的铝硅合金中加入镧元素主要是为了抑制锶与硼之间的毒化效应，镧的添加使得共晶硅得到完全的充分改性同时镧本身也可以细化α-Al晶粒，通过热力学分析表明镧优先与硼反应生成LaB₆，并且阻止锶与硼之间的反应，使锶与硼之间的毒化效应被抑制了。同时LaB₆晶体结构与α-Al很相似，可以作为异质形核核点，进一步细化晶粒。

锰元素的加入主要为中和铁元素的危害，并且能减少粘模的倾向，锰含量应适当，过少无法有效中和铁元素的危害，过多则会形成脆性相降低铝硅合金的韧性。

铁元素的加入主要为了防止粘模，但必须严格控制其含量低于0.2％，防止过多的铁元素形成粗大片状的β相而降低铝硅合金韧性。

进一步，本发明还提供一种高强韧压铸铝硅合金的制备方法，按所述的高强韧压铸铝硅合金的成份配料，具体步骤包括：

(1)按设计的成分和配比称取工业纯铝锭、结晶硅、Al-Mn中间合金、纯镁锭、纯锌锭、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-5Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金和Al-La中间合金；

(2)将铝锭放入熔炼炉中进行熔化，熔化温度温度为750～780℃，熔化后保温20～40分钟；

(3)将步骤(2)的熔体升温至760～790℃后添加结晶硅和Al-Fe中间合金；待结晶硅和Al-Fe中间合金全部熔化后，将熔体温度调整至720～740℃后保温20～40分钟；再加入Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-5Ti-B中间合金、Al-La中间合金，熔化完毕后降温至680～700℃，并对熔体用惰性气体进行保护后加入纯锌锭、纯镁锭、Al-Sr中间合金，压入熔炼炉底部进行熔化；

(4)将步骤(3)的熔体升温至710～720℃，按炉料总量1～2‰比例称取无钠粉状精炼剂，进行喷吹精炼5～10分钟，撇渣并静置10～20分钟；

(5)将步骤(4)的熔体进行压铸，炉温控制在680～710℃，模具温度170～230℃，模具正常后通入冷却水，铝液压入模具型腔，压射速度为0.3m/s～4m/s，铸造压力为90～140MPa。

其中，在步骤(1)中，还包括将称取的原料清洗和烘干的步骤。在步骤(3)中，还包括对液体熔体取样、检测和调整成分的步骤。对液体熔体取样、检测和调整成分的步骤具体为：在熔体内部取样并冷却至室温后进行化学成分分析，以合金元素组成成分为目标，计算并添加相应的原料，使熔体成分和配比达到设计的范围。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的压铸铝硅合金，通过同时添加Zn和Cu元素，利用Zn元素提高Cu在铝中的固溶，是实现非热处理即可获得高强度的关键；同时联合使用La、B、Sr、Ti来同时实现晶粒细化和改善共晶硅，是实现高韧性的关键。因此，本发明提供的压铸铝硅合金能够有效减少压铸工艺带来的缺陷，具有抗热裂性好，压铸流动性好等工艺特点，并且在铸态下无需热处理即能实现较高强度和较高韧性，具有优异的综合力学性能。避免了后续的热处理工艺导致的变形和鼓泡，能够在明显提高铝硅合金铸态力学性能的同时降低生产成本。

2、与现有压铸铝硅合金相比，本发明有更广泛的工业应用范围，特别是应用于汽车对强度和韧性都有很高要求的底盘和车身结构件上。该压铸铝硅合金在铸态的屈服强度高达220MPa，抗拉强度高达385MPa，其延伸率可高达11.3％，并且具有优良的压铸性能和良好的防腐蚀性能，其力学性能与现有经过热处理的压铸铝硅合金相当甚至更优。

3、本发明提供的制备方法，先将铝锭熔化，再依顺序加入其它中间合金，使得各成分能充分参与反应并减少了原料的烧损，缩短了压铸铝硅合金的制备时间，降低了制备成本。此外，本发明的铝硅合金材料也可以通过150～200℃、2～3小时的短时时效进一步提升强度和延伸率，以满足对压铸铝硅合金更高的要求，适用性更广。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种高强韧压铸铝硅合金，其各成分以质量百分比计为：Si：11.5％；Cu：3％；Zn：1.5％；Mg：0.6％；B：0.1％；La：0.22％；Sr：0.06％；Mn：0.6％；Fe：0.2％；Ti：0.2％；余量为Al。

所述高强韧压铸铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)备料：根据设定的化学成分，按计量比称取工业纯铝、结晶硅、Al-Mn中间合金、纯镁、纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-5Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金、Al-La中间合金等，将称取好的上述原料预热到180℃进行烘干处理。

(2)熔化铝锭：将称取好的工业纯铝锭放入熔炼炉中进行熔化，熔化温度温度为750℃，铝锭熔化后完毕后，升温至780℃，保温20分钟。

(3)熔炼：加入称好的结晶硅和Al-Fe中间合金，待全部熔化后将炉温降至740℃，保温20分钟，再加入称好的Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-5Ti-B中间合金、Al-La中间合金，熔化完毕后降温至680℃，对熔体用氩气气体进行保护后加入称好纯锌、纯镁、Al-Sr中间合金，并将其压入熔炼炉底部进行熔化。

待熔化完毕后，通入氩气并对熔体不断进行搅拌30分钟，除去熔体中的气体，使成分均匀化，静置并进行炉前成分分析。在液态熔体内部取样，冷却至室温后进行火花直读光谱分析其化学成分，以合金元素组成成分为目标，计算需添加原料的质量，并按计算结果添加原料，所述原料为工业纯铝、结晶硅、Al-Mn中间合金、纯镁、纯锌、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-5Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金或Al-La中间合金中，最终使熔体成分达到合格的范围。

(4)精炼：将步骤(3)的熔体升温至710℃，按炉料总重量1‰比例称取无钠粉状精炼剂，进行喷吹精炼。精炼10分钟后撇渣并静置20分钟，再进行炉前成分分析。

(5)熔体成分合格后进行压铸，炉温控制在700℃，模具温度220℃，模具正常后通入冷却水，铝液压入模具型腔，压射速度为2.5m/s，铸造压力为100MP。

实施例2

一种高强韧压铸铝硅合金，其各成分以质量百分比计为：Si：10.5％；Cu：2％；Zn：1％；Mg：0.5％；B：0.07％；La：0.14％；Sr：0.06％；Mn：0.6％；Fe：0.18％；Ti：0.2％；余量为Al。

制备方法与实施例1相同。

实施例3

一种高强韧压铸铝硅合金，其各成分以质量百分比计为：Si：9％；Cu：1.5％；Zn：0.7％；Mg：0.4％；B：0.04％；La：0.1％；Sr：0.04％；Mn：0.6％；Fe：0.11％；Ti：0.25％；余量为Al。

制备方法与实施例1相同。

实施例4

一种高强韧压铸铝硅合金，其各成分以质量百分比计为：Si：8.5％；Cu：1.2％；Zn：0.5％；Mg：0.4％；B：0.05％；La：0.1％；Sr：0.02％；Mn：0.6％；Fe：0.12％；Ti：0.26％；余量为Al。

制备方法与实施例1相同。

实施例5

制备方法与实施例1相同。实施例5的成分与实施例4相同，铝硅合金的制备方法相同，不同之处在于本实施例对制备的铸态铝硅合金进行了200℃下3小时时效处理。

实施例6

一种高强韧压铸铝硅合金，其各成分以质量百分比计为：Si：8.5％；Cu：1％；Zn：0.5％；Mg：0.3％；B：0.05％；La：0.12％；Sr：0.04％；Mn：0.5％；Fe：0.1％；Ti：0.15％；余量为Al。

制备方法与实施例1相同。

实施例7

一种高强韧压铸铝硅合金，其各成分以质量百分比计为：Si：9％；Cu：1％；Zn：0.5％；Mg：0.2％；B：0.03％；La：0.1％；Sr：0.08％；Mn：0.5％；Fe：0.1％；Ti：0.1％；余量为Al。

制备方法与实施例1相同。

实施例1-6中高强韧压铸铝硅合金的成分如表1所示，制备方法与实施例1相同。

表1(以质量百分比％计)

组别	Si	Cu	Zn	Mg	B	La	Sr	Mn	Fe	Ti	Al
												实施例1	11.5	3	1.5	0.6	0.1	0.22	0.06	0.7	0.2	0.2	余量
实施例2	10.5	2	1	0.5	0.07	0.14	0.06	0.6	0.18	0.2	余量
												实施例3	9	1.5	0.7	0.4	0.04	0.1	0.04	0.6	0.11	0.25	余量
实施例4	8.5	1.2	0.5	0.4	0.05	0.1	0.02	0.6	0.12	0.26	余量
												实施例5	8.5	1.2	0.5	0.4	0.05	0.1	0.02	0.6	0.12	0.26	余量
实施例6	8.5	1	0.5	0.3	0.05	0.12	0.04	0.5	0.1	0.15	余量
												实施例7	9.0	1	0.5	0.2	0.03	0.1	0.08	0.4	0.1	0.1	余量

实施例1-6制备的压铸铝硅合金以及常用的ADC12、Silafont-36的性能如表2所示。其中，Silafont-36铝合金为德国莱茵铝业公司开发的压铸铝合金。从表2的可以看出，本发明的铝硅合金在铸态下的强度和延伸率明显高于传统压铸铝硅合金以及德国莱茵铝业公司开发的Silafont-36铝合金在铸态下的强度，基本接近德国莱茵铝业公司开发的Silafont-36铝合金在T6热处理状态下的强度和延伸率。并且，本发明所述铝硅合金材料也可以通过150～200℃、2～3小时的短时时效进一步提升屈服强度，以适应对压铸铝硅合金更高的要求。比如，对成分与实施例4相同的合金进行200℃、3小时时效后，其屈服强度从198Mpa提高至250MPa。

表2

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高强韧压铸铝硅合金，其特征在于，按质量百分比计，包括如下成分：Si：8.5~11.5%；Cu：1.0~3.0%；Zn：0.5~1.5%；Mg：0 .2~0 .6%；B：0.01~0.1%；La：0.1~ 0.22%；Sr：0.02~0.08%；Mn：0.4~0 .7%；Fe：不大于0 .2%；余量为Al和不可避免的杂质；

Cu与Zn的质量比为2.0~2.2：1；

所述La与B的质量比为2~3.5：1。

2.根据权利要求1所述的高强韧压铸铝硅合金，其特征在于，按质量百分比计，还包括Ti：0.1~0.28%。

3.根据权利要求2所述的高强韧压铸铝硅合金，其特征在于，按质量百分比计，包括如下成分：Si：8.5~11.5%；Cu：1.0~1.5%；Zn：0.5~1.2%；Mg：0 .2~0.4%；B：0.03~0.1%；La：0.1~0.2%；Ti：0.15~0.25%；Sr：0.02~0.06%；Mn：0 .4~0 .0.6%；Fe：不大于0 .2%；余量为Al和不可避免的杂质。

4.一种高强韧压铸铝硅合金的制备方法，其特征在于，按如权利要求1~3任一项所述的高强韧压铸铝硅合金的成分配料，具体步骤包括：

（1）按设计的成分和配比称取工业纯铝锭、结晶硅、Al-Mn中间合金、纯镁锭、纯锌锭、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-5Ti-B中间合金、Al-Sr中间合金和Al-La中间合金；

（2）将铝锭放入熔炼炉中进行熔化，熔化温度为750~780℃，熔化后保温20~40分钟；

（3）将步骤（2）的熔体升温至760~790℃后添加结晶硅和Al-Fe中间合金；待结晶硅和Al-Fe中间合金全部熔化后，将熔体温度调整至720~740℃后保温20~40分钟；再加入Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-5Ti-B中间合金、Al-La中间合金，熔化完毕后降温至680~700℃，并对熔体用惰性气体进行保护后加入纯锌锭、纯镁锭、Al-Sr中间合金，压入熔炼炉底部进行熔化；

（4）将步骤（3）的熔体升温至710~720℃，按炉料总量1~2‰比例称取无钠粉状精炼剂，进行喷吹精炼5~10分钟，撇渣并静置10~20分钟；

（5）将步骤（4）的熔体进行压铸，炉温控制在680~710℃，模具温度170~230℃，模具正常后通入冷却水，铝液压入模具型腔，压射速度为0.3m/s~4m/s，铸造压力为90~140MPa。

5.根据权利要求4所述的高强韧压铸铝硅合金的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，还包括将称取的原料清洗和烘干的步骤。

6.根据权利要求4所述的高强韧压铸铝硅合金的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，还包括对液体熔体取样、检测和调整成分的步骤。

7.根据权利要求6所述的高强韧压铸铝硅合金的制备方法，其特征在于，对液体熔体取样、检测和调整成分的步骤具体为：在熔体内部取样并冷却至室温后进行化学成分分析，以合金元素组成成分为目标，计算并添加相应的原料，使熔体成分和配比达到设计的范围。